改變世界”這個(gè)詞已經(jīng)被用濫了，但對(duì)晶體管、萬維網(wǎng)和手機(jī)這類發(fā)明，要形容其撼動(dòng)世界歷史的影響力，還有別的合適詞語嗎？的確有一些創(chuàng)新改變了歷史的方向。本文介紹的碳呼吸電池、手術(shù)機(jī)器人、量子衛(wèi)星和另外七種創(chuàng)新能否產(chǎn)生相似的效果呢？現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早。大多數(shù)創(chuàng)新方案最終都失敗了，最偉大的創(chuàng)意往往也伴隨著最高的風(fēng)險(xiǎn)。但一個(gè)創(chuàng)意從引人發(fā)笑到變成大勢(shì)所趨，往往用不了多長(zhǎng)時(shí)間。而其中有一些，顯然會(huì)帶來變革。

　　——《科學(xué)美國(guó)人》編輯部

　　1、碳呼吸電池

　　電化學(xué)電池能夠吸收大氣中的碳，將其轉(zhuǎn)化為電能。

　　單單削減溫室氣體排放量已經(jīng)不足以阻止全球變暖?，F(xiàn)在，我們必須將大氣中已經(jīng)存在的二氧化碳清除一部分。好消息是，做這件事的方法有很多；壞消息是，這些方法基本上都需要消耗大量能源。

　　理想的碳封存技術(shù)應(yīng)該可以產(chǎn)生電能，而不是消耗能量。在2016年7月發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上的一篇論文中，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員瓦迪·阿爾· 薩達(dá)特（Wajdi Al Sadat）和林登·阿徹（Lynden Archer）描述了一種能夠捕捉二氧化碳的電化學(xué)電池的設(shè)計(jì)方案。

　　電池的陰極材料采用的是鋁，這種金屬成本低、儲(chǔ)量大、易于加工。陽極由多孔碳構(gòu)成，研究人員向其中注入氧氣和二氧化碳的混合物。鋁、氧氣和二氧化碳在電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能并生成草酸鋁。薩達(dá)特和阿徹表示，在一個(gè)1.4伏電池的生命周期中，電池所吸收的碳是制造電池時(shí)所釋放的碳的2.5倍。阿徹解釋說：“即使你把二氧化碳的主要來源都考慮進(jìn)來，我們的電池的碳排放量也是負(fù)的?！?/p>

　　而碳吸收過程的化學(xué)副產(chǎn)品──草酸鋁也很有價(jià)值。草酸鹽可作為清潔劑和漂白劑，全球每年需求量大約為23萬噸。電化學(xué)電池每多產(chǎn)出一噸草酸鹽，會(huì)排放二氧化碳的草酸鹽工廠就可以少生產(chǎn)一噸。如果把這些減排因素考慮進(jìn)去，用來制造電池的每千克鋁可以吸收3.52千克二氧化碳。

　　阿徹表示，要想把這個(gè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)用的技術(shù)，他和同事還有很長(zhǎng)的路要走。首先，他們需要證明該技術(shù)的成本效益足夠高，并且規(guī)?？梢詳U(kuò)展。阿徹預(yù)計(jì)，如果他們能成功實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)化，將來這種電池會(huì)配備在發(fā)電站和汽車排氣管上?！斑@樣你不只是減少了二氧化碳，而且在利用二氧化碳?！?/p>

　　2、全新的抗生素

　　設(shè)計(jì)新型化合物的方法可用來對(duì)抗耐藥菌。

　　很難想象一個(gè)沒有抗生素的世界是什么樣的，不過因?yàn)榇笠?guī)模地濫用抗生素，我們正走近這樣的世界。美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心（Centers for Disease Control and Prevention）表示，僅在美國(guó)，每年就有超過23000人因感染抗生素?zé)o法對(duì)付的病菌而死亡。英國(guó)政府資助的一項(xiàng)研究估計(jì)，到2050年，全世界每年會(huì)有1000萬人死于耐藥菌。科學(xué)家正苦苦尋找能殺死超級(jí)病菌的新藥，例如大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（macrolide）。大環(huán)內(nèi)酯是抗生素的一大門類，可以治療一般的細(xì)菌感染，包括肺炎、鏈球菌性咽炎、耳部和皮膚感染，以及性傳播疾病。

　　研究人員已經(jīng)嘗試過修改已有抗生素的化學(xué)性質(zhì)，讓它們更有效地治療耐藥菌株，不過到目前為止沒有取得什么進(jìn)展。大環(huán)內(nèi)酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)很難修改，而且大環(huán)內(nèi)酯的原材料是在裝著工業(yè)細(xì)菌的大型發(fā)酵罐里制造出來的——這個(gè)過程很難精確控制?！盎瘜W(xué)家們?cè)谶^去的幾十年里一直束手無策，”哈佛大學(xué)化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)教授安德魯·邁爾斯（Andrew Myers）表示。

　　不過，邁爾斯和他的團(tuán)隊(duì)找到了從頭合成大環(huán)內(nèi)酯的方法。為了合成這種化合物，研究人員把大環(huán)內(nèi)酯的結(jié)構(gòu)分解成8個(gè)基本模塊，然后以新的形式把它們組合起來，利用不同的組合方式調(diào)節(jié)其化學(xué)性質(zhì)。邁爾斯團(tuán)隊(duì)在2016年5月發(fā)表于《自然》雜志的論文中表示，他們已經(jīng)合成了超過300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)化合物可以抑制細(xì)菌，而且有很多可以殺死耐藥菌株。

　　此后，研究人員又制造了300種新型化合物。邁爾斯成立了一家制藥公司Macrolide Pharmaceuticals，把這些新藥推向市場(chǎng)。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始研究另外兩類抗生素：林可酰胺類抗生素（lincosamide）和氨基糖苷類抗生素（aminoglycoside）。在他們發(fā)明的化合物中，只有少部分會(huì)變成實(shí)用的抗生素，而且即使是這些抗生素也需要很長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)在藥店中。但是邁爾斯有信心，他的研究（和類似的研究）會(huì)幫助我們擊敗超級(jí)細(xì)菌。他說：“我非常樂觀，隨著我們繼續(xù)進(jìn)行研究，肯定能獲得更好的結(jié)果。”

　　3、量子衛(wèi)星

　　量子密鑰的天基傳輸可能會(huì)讓“不可攻破”的互聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　要建立絕對(duì)安全的加密方法，并不需要比鉛筆和紙更高級(jí)的技術(shù)：只要選擇一串隨機(jī)的字符和數(shù)字，用作加密信息的密鑰。把這個(gè)密鑰寫在一張紙上，用一次之后把紙燒掉就行。關(guān)鍵是要確保沒有人能攔截或篡改密鑰。而在互聯(lián)網(wǎng)上，竊取或篡改密鑰的事情一直沒斷過。量子密鑰分發(fā)（Quantum-key distribution，QKD）可以解決這個(gè)問題，該方法會(huì)從糾纏光子中生成一個(gè)一次性密鑰。糾纏光子即量子狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的光子，如果其中一個(gè)光子受到擾動(dòng)，另一個(gè)光子也會(huì)立即受到影響，無論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。量子密鑰分發(fā)的問題是，沒人知道如何長(zhǎng)距離傳輸糾纏光子。然而今年8月，中國(guó)科學(xué)院成功將世界第一顆量子衛(wèi)星送入軌道，為解決這個(gè)問題邁進(jìn)了一大步。

　　中國(guó)科學(xué)院的項(xiàng)目名為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（QUESS），是與奧地利科學(xué)院合作的項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用衛(wèi)星向中國(guó)境內(nèi)相距1200千米的兩個(gè)觀測(cè)站傳輸量子密鑰，這一距離是目前最遠(yuǎn)傳輸紀(jì)錄的8倍。原紀(jì)錄是由《科學(xué)美國(guó)人》顧問、奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團(tuán)隊(duì)于2012年創(chuàng)造的。天基平臺(tái)（space-based platform）是長(zhǎng)距離傳輸?shù)奈ㄒ贿x擇，蔡林格說：“地面上找不到能看到1000千米之外的地方。”現(xiàn)在，蔡林格正與他從前的學(xué)生、QUESS項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉合作。

　　如果中國(guó)研究人員創(chuàng)造了量子密鑰傳輸距離的新紀(jì)錄，那么未來的衛(wèi)星就能提供一個(gè)軌道平臺(tái)，建立起不可攻破的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，物理定律可以確保加密數(shù)據(jù)包的絕對(duì)安全。蔡林格解釋說：“我們希望能建立洲際量子通信，這不再只是個(gè)科幻概念，而是未來的計(jì)算機(jī)彼此溝通的一般方式?！?br />

　　4 、替代外科手術(shù)的微型機(jī)器人

　　遠(yuǎn)程控制的微型機(jī)器人可以在人體內(nèi)治療疾病。

　　醫(yī)學(xué)干預(yù)手段越先進(jìn)，侵入性就越低。例如，減肥手術(shù)曾經(jīng)需要打開病人的腹腔，從肚臍一直開到隔膜；而今天，這類手術(shù)只需要利用腹腔鏡技術(shù)，開一個(gè)幾厘米的小口就行?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)明了一個(gè)原型機(jī)器人，可以在胃里完成簡(jiǎn)單的手術(shù)，而且完全不需要切口或連接外部的纜線——病人只需從口中把機(jī)器人吞下去就行。

　　這種微型機(jī)器人包裹在用冰做成的口服含片里，被人服下后會(huì)通過食道進(jìn)到胃里。冰膠囊融化后，機(jī)器人會(huì)像折紙一樣打開。展開后的機(jī)器人看起來像一張有皺褶的紙，材料上的皺褶、縫隙和補(bǔ)丁的位置都是精心設(shè)計(jì)好的，它們遇熱或受磁場(chǎng)作用時(shí)會(huì)膨脹或收縮，進(jìn)而使機(jī)器人移動(dòng)。這種移動(dòng)方式與生物體關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動(dòng)方式非常類似。外科醫(yī)生通過外部電磁場(chǎng)影響機(jī)器人上的磁鐵，就可控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人也能通過屈伸自己的皺褶，沿著胃壁爬到指定的位置。這種移動(dòng)方式叫黏滑運(yùn)動(dòng)（stick-slip motion）。

　　機(jī)器人的主體由生物相容性材料制成——部分材料來自豬的小腸，也是香腸腸衣的材料。這些材料可以向體內(nèi)傷口給藥或是像創(chuàng)口貼那樣固定在傷口上。機(jī)器人還能用自帶的磁鐵“捕捉”并移除異物，比如誤吞的紐扣電池。

　　盡管這款機(jī)器人還沒在活體動(dòng)物或人體內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，但美國(guó)麻省理工學(xué)院的機(jī)器人工程師丹妮拉·魯斯（Daniela Rus，她的團(tuán)隊(duì)完成了這項(xiàng)研究）認(rèn)為，這樣的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的：“性能更強(qiáng)的機(jī)器人”也許有一天可以通過自帶的傳感器診斷體內(nèi)出血點(diǎn)。而無需有創(chuàng)外科手術(shù)就能移除體內(nèi)異物，也將是一個(gè)巨大的進(jìn)步?！拔业母赣H在20世紀(jì)70年代得了腎結(jié)石，醫(yī)生們差不多切開了他的半個(gè)身體才取出結(jié)石，”魯斯說，“（微型機(jī)器人）還需要很多年才能付諸使用，但一旦投入實(shí)用，可以想象它能對(duì)這些手術(shù)產(chǎn)生多大的影響?！?/p>

　　5 、發(fā)現(xiàn)貧窮地區(qū)的軟件

　　機(jī)器學(xué)習(xí)軟件可以分析衛(wèi)星圖片，找到需要幫助的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

　　2015年，聯(lián)合國(guó)定下一個(gè)目標(biāo)，希望在2030年前在世界范圍內(nèi)消除極端貧困。這個(gè)目標(biāo)很大膽。要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，第一步就是找到最窮的人都在哪里，而這一步的難度就非常大。在貧窮和易發(fā)戰(zhàn)亂的國(guó)家進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)查既昂貴又危險(xiǎn)。因此，研究人員嘗試通過一種間接的辦法來解決這一難題：他們?cè)谝归g的人造衛(wèi)星照片中尋找特別暗的區(qū)域。“一般來說，晚上亮起來的地方經(jīng)濟(jì)狀況更好，”美國(guó)斯坦福大學(xué)地球科學(xué)系統(tǒng)助理教授馬紹爾·博克（Marshall Burke）解釋說。但這種方法有缺陷，尤其是在區(qū)分貧窮程度方面。在晚上，從太空中看下去，輕度貧困和極端貧困的地方是一樣的，都是漆黑一片。

　　博克和他在斯坦福的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，可以用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來改進(jìn)人造衛(wèi)星成像研究。研究人員利用非洲五國(guó)的日間和夜間衛(wèi)星圖像來訓(xùn)練圖片分析軟件。在綜合了日間和夜間的圖片數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)“學(xué)會(huì)”把日間圖片的特征（道路、城市區(qū)域和農(nóng)業(yè)用地）與不同水平的夜間亮度關(guān)聯(lián)起來?！袄靡归g的燈光，可以找出日間照片中有何重要特征，”博克說。

　　當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束后，博克的軟件可以僅僅根據(jù)白天的衛(wèi)星圖片發(fā)現(xiàn)貧困區(qū)域的位置。當(dāng)研究人員拿他們的結(jié)果和針對(duì)非洲這五個(gè)國(guó)家的調(diào)查進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)他們的方法比其他非傳統(tǒng)的貧困預(yù)測(cè)工具（包括夜間亮度模型）更好。政府和非盈利組織可以使用這個(gè)工具決定現(xiàn)金轉(zhuǎn)移支付項(xiàng)目（cash-transfer program）的扶助對(duì)象，也可以評(píng)估某個(gè)扶貧政策的效果。研究人員已經(jīng)開始與世界銀行和美國(guó)國(guó)際發(fā)展署（U.S. Agency for International Development）合作，計(jì)劃調(diào)查索馬里等地的貧困狀況。接下來，博克和他的團(tuán)隊(duì)希望可以用他們的新技術(shù)繪制一張全非洲的貧困狀況地圖。

　　6、會(huì)制冷的衣服

　　納米多孔纖維讓穿著者感到?jīng)隹?，這可以降低對(duì)空調(diào)的需求。

　　地球變得越熱，把空調(diào)溫度調(diào)得更低的人就越多。但是空調(diào)制冷需要能源，而獲取能源會(huì)排放溫室氣體。在美國(guó)，平均每年由于空調(diào)耗能向大氣中排放的二氧化碳高達(dá)100萬噸。

　　崔屹（Cui Yi）是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授，他想用衣服幫人們解暑降溫。即便是最輕薄的棉纖維衣物也會(huì)吸收身體發(fā)射出的紅外線，從而鎖住熱量。崔屹和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種用于制造鋰離子電池的納米多孔聚乙烯材料（nanoPE），可以讓這些輻射散發(fā)出去。其他高科技運(yùn)動(dòng)服是靠汗液蒸發(fā)來讓穿著者感覺涼爽，而nanoPE不需要汗液。

　　nanoPE的價(jià)格與棉纖維基本相當(dāng)，呈薄片狀，充滿直徑約50~1000納米的孔隙。這么大的孔隙可以讓紅外輻射透過，同時(shí)也會(huì)散射可見光，讓材料變得不透光。（普通的聚乙烯則是透明的，這對(duì)服裝面料來說是個(gè)明顯缺陷。）一張nanoPE看上去就像一片薄薄的塑料片，不適合做服裝面料。崔屹的研究團(tuán)隊(duì)在nanoPE表面涂了一層吸水的化學(xué)物質(zhì)，在兩層nanoPE之間加入一層棉質(zhì)網(wǎng)夾層，并用微針在材料上刺出多個(gè)小孔，使空氣更容易流通，這才讓nanoPE成了一種可用的面料。在做出這些調(diào)整之后，崔屹發(fā)現(xiàn)，與棉質(zhì)衣服相比，nanoPE可以讓模擬的人體皮膚多降溫2攝氏度。崔屹團(tuán)隊(duì)于2016年9月在《科學(xué)》（Science）雜志上報(bào)告了這一發(fā)現(xiàn)。崔屹表示：“如果你穿上nanoPE的衣服，只要外部溫度比你的體溫稍低，你就會(huì)感到?jīng)隹??！比绻谴鬅崽?，你可能還是想開空調(diào)，但可以把溫度調(diào)高一些。有研究顯示，只要把空調(diào)溫度調(diào)高幾度，就能讓能耗降低近一半。

　　目前該團(tuán)隊(duì)仍然需要在真人皮膚上測(cè)試nanoPE的耐用性、舒適度和降溫效果，而且研究人員尚不知道染料會(huì)對(duì)降溫效果造成何種影響。崔屹相信，如果這種材料能夠通過這些測(cè)試，就可以用于制作制服和護(hù)士服，供工廠和醫(yī)院的工作人員使用。

　　7、抗病毒終極方案

　　一個(gè)罕見的遺傳突變也許可以催生出能對(duì)抗所有病毒的藥物。

　　眾所周知，病毒很擅長(zhǎng)躲避人造藥物的攻擊，但它們面對(duì)罕見基因突變ISG15時(shí)卻很無力。帶有這個(gè)突變的人能更好地抵御大多數(shù)可以感染人類的病毒——但每1000萬人里只有不到1人攜帶這一突變。西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的杜贊·博古諾維奇（Dusan Bogunovic）認(rèn)為，可以模擬這一突變來研發(fā)藥物。如果他想得沒錯(cuò)，他有可能找到一種可以臨時(shí)對(duì)抗所有病毒的藥物，讓人不會(huì)因感染病毒而生病。而在服藥期間接觸的病毒，病人還會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生終身免疫力（如果病毒沒有像流感病毒那樣發(fā)生突變）。

　　博古諾維奇和他的團(tuán)隊(duì)為了研究突變抑制病毒的機(jī)理，并找出模擬這一突變的藥物，找到了6個(gè)攜帶這一突變的人做實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)為他們的基因組測(cè)序，分離了他們的血液和皮膚細(xì)胞。 研究人員讓這些細(xì)胞接觸多種病毒，包括寨卡病毒、流感病毒和皰疹病毒，24小時(shí)后，這些細(xì)胞里的病毒數(shù)量比正常細(xì)胞要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。2016年5月，研究團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表論文，解釋了原因：ISG15突變使得細(xì)胞失去了一個(gè)調(diào)節(jié)炎癥的功能。炎癥可以幫助身體抵抗病毒，所以這些人“在被病毒感染的時(shí)候，比你我準(zhǔn)備得更好，” 博古諾維奇表示。所以，他們可以在病毒復(fù)制到足以致病的數(shù)量前，就開始對(duì)抗入侵者，激活免疫系統(tǒng)。

　　博古諾維奇希望找到一種藥物，可以通過相同方式把ISG15突變作為目標(biāo)?！爸灰陨哉{(diào)整一下我們的系統(tǒng)，就可以壓住感染的第一波爆發(fā)，”他解釋道。博古諾維奇的團(tuán)隊(duì)正從1600萬種化合物中篩選有前景的抗病毒藥物。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)候選化合物以后，就需要精細(xì)地調(diào)整化合物的化學(xué)性質(zhì)，完成毒理學(xué)和動(dòng)物試驗(yàn)，并最終進(jìn)行人體臨床試驗(yàn)。這個(gè)研究并不是必定能獲得成功。有些攜帶ISG15突變的人會(huì)偶發(fā)癲癇，出現(xiàn)類似紅斑狼瘡的自體免疫疾病癥狀。研究人員開發(fā)的藥物需要避免出現(xiàn)副作用。但是博古諾維奇表示樂觀，他也正在討論成立一個(gè)生物技術(shù)公司使用自己的技術(shù)。他說：“一切皆有可能。這需要一個(gè)過程，但我認(rèn)為這個(gè)過程很激動(dòng)人心。”

　　8、新算法讓計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)橫向思考

　　人工智能方法可以讓計(jì)算機(jī)在視覺模式識(shí)別方面勝過人類。

　　如果有人給看你一個(gè)陌生字母表里的字母，再讓你把它寫到一張紙上，也許你能做到，但計(jì)算機(jī)卻做不到——即使它有最先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)算法（比如谷歌用來為照片分類的那些算法）也不行。哪怕只是做一些基本的圖片區(qū)分工作，機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)也需要用大量的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。如果郵局想讓機(jī)器根據(jù)郵編分類郵件，這還能接受。但對(duì)實(shí)時(shí)翻譯這類更精細(xì)復(fù)雜的問題，只需學(xué)習(xí)少量案例的方法效果會(huì)好很多。

　　借助貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)（Bayesian program learning，簡(jiǎn)稱BPL）這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)框架，計(jì)算機(jī)已經(jīng)離這一飛躍不遠(yuǎn)了。紐約大學(xué)、麻省理工學(xué)院和多倫多大學(xué)的研究者組成的團(tuán)隊(duì)證實(shí)，只需學(xué)習(xí)一個(gè)例子，使用了貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)方法的計(jì)算機(jī)就能比人更好地識(shí)別和復(fù)寫陌生的手寫字符。（“貝葉斯”指一種概率推理方法，可用來根據(jù)新證據(jù)改進(jìn)某個(gè)不確定的假設(shè)。）

　　貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)方法和深度學(xué)習(xí)有本質(zhì)上的差別。深度學(xué)習(xí)粗略地模擬了人腦基本的模式識(shí)別能力。而貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)的靈感來自人腦的另一種能力：推斷出可以生成某種模式的一系列動(dòng)作。例如，它能發(fā)現(xiàn)字母A是用三道筆畫寫成的：兩條頂部相交的斜線和一條水平的短線?！坝?jì)算機(jī)只需一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，就能產(chǎn)生這個(gè)字母的很多版本，每次運(yùn)行程序產(chǎn)生的字母都略有變化，”紐約大學(xué)的摩爾-斯隆數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)者布倫頓·萊克（Brenden Lake）表示。他也參與了這項(xiàng)研究。貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)讓軟件可以利用較小的已知部分（比如字母A的那條橫線），解決重構(gòu)陌生字母過程中的不確定性問題。

　　這種機(jī)器學(xué)習(xí)方法既用途廣泛又高效。貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)軟件用來分解和重構(gòu)未知字母的過程可以幫助人工智能應(yīng)用推斷復(fù)雜現(xiàn)象（例如河中的水流）的因果模式，并根據(jù)這些模式，在完全不同的系統(tǒng)中解決問題。人類經(jīng)常使用這種抽象的“橫向思考”（lateral thinking）能力，而貝葉斯規(guī)劃學(xué)習(xí)方法可以讓計(jì)算機(jī)也擁有相似的能力?！拔覀冋囍層?jì)算機(jī)學(xué)習(xí)概念，并把這些概念應(yīng)用到不同的任務(wù)和領(lǐng)域中去，”萊克說，“這是人類智能的核心部分?！?br />

　　9、廉價(jià)診斷試紙

　　對(duì)埃博拉、肺結(jié)核等疾病的廉價(jià)快速的篩查方法，可以挽救偏遠(yuǎn)貧窮地區(qū)病人的生命。

　　一個(gè)發(fā)著高燒的病人來到了非洲農(nóng)村的一家診所。診斷結(jié)果可能是從輕度傷寒到埃博拉的任何一種疾病。即使這家診所有驗(yàn)血設(shè)施，也需要幾天時(shí)間才能獲得結(jié)果。那么醫(yī)生該怎么辦呢？是開抗生素處方還是要求隔離病人？

　　過去十年里，研究人員一直在尋找一種快捷、廉價(jià)的試紙?jiān)\斷方法（類似驗(yàn)孕棒或驗(yàn)孕試紙），以便在這種場(chǎng)合拯救生命。非營(yíng)利機(jī)構(gòu)Diagnostics For All正在等待監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)他們?cè)诜侵奘褂酶喂δ苎獧z測(cè)試。比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)資助的高智發(fā)明（Intellectual Ventures，位于美國(guó)華盛頓州），正在研究超敏感瘧疾測(cè)試和結(jié)核診斷尿檢工具。華盛頓大學(xué)的生物工程教授保羅·耶格爾（Paul Yager）也在研發(fā)一套檢測(cè)血液中埃博拉病毒蛋白的工具。這些測(cè)試只需要幾美元，使用前也都不需要特殊訓(xùn)練。

　　這些診斷工具的核心是試紙，上面蝕刻或覆蓋了可以分離、濃縮和混合液體的結(jié)構(gòu)。紙本身就可以吸收血液和尿樣等液體，所以樣本可以不依賴外力就流過檢測(cè)設(shè)備。試紙上的結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)液體稀釋，并發(fā)生識(shí)別病原體或疾病標(biāo)記物所需的化學(xué)反應(yīng)。例如，Diagnostics For All的肝功能檢測(cè)試紙就包括了一個(gè)過濾裝置，可以把血紅細(xì)胞篩掉，讓血漿流到試紙底層，那里有一種試劑，可以和肝損傷的一種標(biāo)志性酶結(jié)合。試紙顏色的改變可以顯示病人的酶水平。

　　第一代診斷試紙一般只能發(fā)現(xiàn)入侵物產(chǎn)生的分子或致病微生物，從而檢測(cè)疾病。但接下來有可能出現(xiàn)直接檢測(cè)病原體DNA的診斷工具。這些工具叫核酸測(cè)試，可以讓醫(yī)生在疾病最早期就能準(zhǔn)確地診斷出疾病。耶格爾和哈佛大學(xué)的化學(xué)教授喬治·懷特賽茲（George Whitesides）等研究者正各自獨(dú)立研究核酸試紙。耶格爾正在研發(fā)家用的寨卡病毒核酸試紙，也在申請(qǐng)研究經(jīng)費(fèi)，用來研發(fā)快速廉價(jià)的寨卡、登革熱和黃熱病檢測(cè)技術(shù)。

　　研究人員仍然有技術(shù)難題需要克服，但他們表示最大的障礙來自資金。制藥公司覺得廉價(jià)的檢測(cè)設(shè)備沒有利潤(rùn)，所以大部分資金來自政府和私人基金。懷特賽茲說：“我們和其他人的研究都表明這項(xiàng)技術(shù)有用。但能否克服商業(yè)化的最后障礙，還有很多不確定因素?！?/p>

　　10、用超級(jí)原子制造超級(jí)分子

　　新方法能夠設(shè)計(jì)出超越元素周期表限制的原子、分子和有用材料。

　　元素周期表中看上去有許多元素，但對(duì)于化學(xué)家和材料科學(xué)家來說還不夠多。要設(shè)計(jì)具備某種非同尋常的特性的合成材料，比如設(shè)計(jì)像木頭一樣可降解的硅類半導(dǎo)體，大自然的配方往往存在局限。哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系教授柯林·納科爾斯（Colin Nuckolls）表示：“很多時(shí)候，你想要的是一種并不存在的原子。”用所謂“超級(jí)原子”組成的超級(jí)分子可以滿足這個(gè)需要。超級(jí)原子是行為如同單個(gè)原子的原子團(tuán)，研究者可以設(shè)法使其具備特別的電磁特性，這是元素的自然組合很難或不可能獲得的性質(zhì)。雖然化學(xué)家早在幾十年前就知道如何構(gòu)建超級(jí)原子，但一直找不到一種可靠的方法將它們連接成更大型的結(jié)構(gòu)。

　　現(xiàn)在，納科爾斯的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以用超級(jí)原子來制造“設(shè)計(jì)分子”。這些合成結(jié)構(gòu)能夠模擬天然分子的特性，同時(shí)材料科學(xué)家可以對(duì)這些特性進(jìn)行“微調(diào)”，以達(dá)到某些特殊的目標(biāo)。納科爾斯表示：“你可以很容易地改變由超級(jí)原子構(gòu)成的分子的化學(xué)性質(zhì)或磁性，而單憑原子結(jié)構(gòu)是做不到這一點(diǎn)的。這就像給元素周期表增加了一個(gè)維度。”

　　1984年，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的沃爾特·奈特（Walter Knight）和同事通過合成鈉原子團(tuán)發(fā)現(xiàn)了超級(jí)原子，鈉原子團(tuán)的外層電子與單個(gè)原子的外層電子性質(zhì)相似，這種超級(jí)原子的磁性和反應(yīng)活性都更強(qiáng)了。從那時(shí)開始，科學(xué)家已經(jīng)用鋁、鉑、銣等元素制造出了超級(jí)原子團(tuán)。但是要想把超級(jí)原子組合成更大的分子，科學(xué)家還需要摸清這些超級(jí)原子要遵循的特殊化學(xué)定律，這些定律和元素周期表中的元素所遵循的定律并不相同。

　　原子核周圍的電子會(huì)優(yōu)先占據(jù)低能級(jí)，再占據(jù)高能級(jí)，這一排布規(guī)律被稱為構(gòu)造（Aufbau）原理。（Aufbau在德語中意為“建造”，該原理由尼爾斯·玻爾首先提出，并由沃爾夫?qū)づ堇右詳U(kuò)展，這兩位都是量子力學(xué)的先驅(qū)。）在研究生阿努克·尚索爾（Anouck Champsaur）最初發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，納科爾斯團(tuán)隊(duì)總結(jié)出了與構(gòu)造原理類似的規(guī)律，根據(jù)該規(guī)律，他們可以將超級(jí)原子合成為分子。

　　到目前為止，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出了由兩個(gè)或三個(gè)鈷-硒超級(jí)原子組成的分子。但尚索爾和納科爾斯認(rèn)為，利用超級(jí)原子的構(gòu)建原理，他們還可以合成更為特殊的材料，這類材料有潛力應(yīng)用在柔性傳感器、智能衣服和高能效電池等領(lǐng)域。我們不需要更新化學(xué)課本上的元素周期表，納科爾斯說：“我們不是搞煉金術(shù)?！钡脖硎?，由超級(jí)原子制成的分子“可以讓我們的收獲比自然界給予的更多?！?/p>